Определение технологических параметров предварительного подогрева полипропиленовых труб при сварке в раструб в условиях низких температур Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»
Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Старостин Н.П., Васильева М.А., Ботвин Г.В.
Предложена математическая модель теплового процесса для разработки технологии раструбной сварки при температурах ниже нормативных. Рассматривается этап подогрева свариваемых концов полипропиленовой трубы и муфты с помощью специальных сменных насадок для последующей сварки в условиях низких температур . Моделируется тепловой процесс в полипропиленовой трубе , контактирующей со сменной насадкой, в основании которой поддерживается постоянная температура с помощью нагревательной пластины с известной температурой . Расчетами показано, что повышение температуры нагревательной пластины с 20 до 35 оС приводит к сокращению продолжительности подогрева в два раза, включая продолжительность охлаждения для выравнивания температур . Вычислительными экспериментами показано, что в стенке трубы горячего водоснабжения диаметром 110 мм распределение температуры , близкое к однородному, из допустимого для сварки интервала получается путем подогрева сменными насадками дополнительного сварочного аппарата, нагревательная пластина которого имеет температуру 35 оС, и последующего свободного охлаждения . При низких температурах воздуха для подогрева труб холодного водоснабжения достаточно на нагревательной пластине поддерживать температуру 20 оС. Предложенная методика может быть использована для определения технологических параметров предварительного подогрева (продолжительности подогрева и охлаждения ) для полипропиленовых труб и муфт горячего и холодного водоснабжения различного диаметра при низких температурах окружающего воздуха.
Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Старостин Н.П., Васильева М.А., Ботвин Г.В.
Determination of technological parameters of preheating of the polypropylene pipes for welding into the socket at low temperatures
The mathematical model of a thermal process for the development of socket welding technology at temperatures below standard is offered. The heating stage of the welded ends of polypropylene pipe and fitting by means of special replaceable nozzles for subsequent welding at low temperatures is considered. Thermal process is simulated in the polypropylene pipe contacting to a replaceable nozzle at the base of which the constant temperature is kept by a heating plate of a definite temperature . Calculations have shown that heating plate temperature increase from 20 оС to 35 оС results in twofold reduction of heating duration including the duration of cooling for equalization of temperatures. Computational experiments show that the temperature distribution in the wall of the hot-water pipe with diameter of 110 mm is close to the uniformed one from allowable welding range and is obtained by heating of an additional welding apparatus with replaceable nozzles, the apparatus heating plate having temperature of 35 оC. At low temperatures it is enough to maintain a heating plate temperature of 20 оC for heating the pipes of cold water supply. The offered method can be used for determination of technological parameters of preheating (the duration of heating and cooling ) for polypropylene pipes and fittings of hot and cold water supply of various diameters at low ambient temperatures.
Текст научной работы на тему «Определение технологических параметров предварительного подогрева полипропиленовых труб при сварке в раструб в условиях низких температур»
УДК 621.791.461: 66.046.1
Определение технологических параметров предварительного подогрева полипропиленовых труб при сварке в раструб в условиях низких температур
Д-р техн. наук Н. П. СТАРОСТИН1, канд. физ.-мат. наук М. А. ВАСИЛЬЕВА2,
Г. В. БОТВИН3 1nikstar56@mail.ru, 2eowa@mail.ru, 3gleb-0379@mail.ru
Институт проблем нефти и газа СО РАН 677007, г. Якутск, ул. Автодорожная, 20
Предложена математическая модель теплового процесса для разработки технологии раструбной сварки при температурах ниже нормативных. Рассматривается этап подогрева свариваемых концов полипропиленовой трубы и муфты с помощью специальных сменных насадок для последующей сварки в условиях низких температур. Моделируется тепловой процесс в полипропиленовой трубе, контактирующей со сменной насадкой, в основании которой поддерживается постоянная температура с помощью нагревательной пластины с известной температурой. Расчетами показано, что повышение температуры нагревательной пластины с 20 до 35 °С приводит к сокращению продолжительности подогрева в два раза, включая продолжительность охлаждения для выравнивания температур. Вычислительными экспериментами показано, что в стенке трубы горячего водоснабжения диаметром 110 мм распределение температуры, близкое к однородному, из допустимого для сварки интервала получается путем подогрева сменными насадками дополнительного сварочного аппарата, нагревательная пластина которого имеет температуру 35 °С, и последующего свободного охлаждения. При низких температурах воздуха для подогрева труб холодного водоснабжения достаточно на нагревательной пластине поддерживать температуру 20 °С. Предложенная методика может быть использована для определения технологических параметров предварительного подогрева (продолжительности подогрева и охлаждения) для полипропиленовых труб и муфт горячего и холодного водоснабжения различного диаметра при низких температурах окружающего воздуха. Ключевые слова: полипропиленовая труба, температура, математическая модель, расчет, подогрев, охлаждение.
Информация о статье
Поступила в редакцию 16.11.2015, принята к печати 20.04.2016 doi: 10.21047/1606-4313-2016-15-2-54-59 Ссылка для цитирования
Старостин Н. П., Васильева М. А., Ботвин Г. В. Определение технологических параметров предварительного подогрева полипропиленовых труб при сварке в раструб в условиях низких температур // Вестник Международной академии холода. 2016. № 2. С. 54-59.
Determination of technological parameters of preheating of the polypropylene pipes for welding into the socket at low temperatures
D. Sc. N. P. STAROSTIN1, Ph. D. M. A. VASIL'EVA2, G. V. BOTVIN3
1nikstar56@mail.ru, 2eowa@mail.ru, 3gleb-0379@mail.ru
Institute for Oil and Gas Problems SB RAS 677007, Russia, Yakutsk, Avtodorozhnaja str., 20
The mathematical model of a thermal process for the development of socket welding technology at temperatures below standard is offered. The heating stage of the welded ends ofpolypropylene pipe andfitting by means of special replaceable nozzles for subsequent welding at low temperatures is considered. Thermal process is simulated in the polypropylene pipe contacting to a replaceable nozzle at the base of which the constant temperature is kept by a heating plate of a definite temperature. Calculations have shown that heating plate temperature increase from 20 °С to 35 °С results in twofold reduction of heating duration including the duration of coolingfor equalization of temperatures. Computational experiments show that the temperature distribution in the wall of the hot-water pipe with diameter of 110 mm is close to the uniformed onefrom allowable welding range and is obtained by heating of an additional welding apparatus with replaceable nozzles, the apparatus heating plate having temperature of 35 оC. At low temperatures it is enough to maintain a heating plate temperature of 20 оC for heating the pipes of cold water supply. The offered method can be used for determination of technological parameters ofpreheating (the duration of heating and cooling) for polypropylene pipes and fittings of hot and cold water supply of various diameters at low ambient temperatures. Keywords: polypropylene pipe, temperature, mathematical model, calculation, heating, cooling.
Полипропиленовые (ПП) трубы нашли широкое применение в системах отопления и водоснабжения жилищных и производственных объектов. При строительстве систем водо- и теплоснабжения и проведении ремонтных мероприятий, часто возникает необходимость осуществления сварочных работ при низких температурах. В то же время, согласно нормативным документам, контактную сварку полипропиленовых труб рекомендуется проводить при температурах воздуха не ниже 0 °С [1]. В случаях необходимости проведения сварки при других температурах воздуха, работы рекомендуется выполнять в укрытиях (палатки, шатры и т. п.) с обеспечением подогрева зоны сварки [2]. В то же время, теоретических и экспериментальных исследований подогрева свариваемых концов трубы и муфты при низких температурах не проводилось. Представляется перспективным разработка оперативной технологии сварки в раструб полипропиленовых труб без использования укрытий с подогревом зоны сварки с помощью серийно выпускаемого сварочного аппарата и простых в изготовлении сменных насадок для подогрева.
В регионах холодного климата, вследствие температурных ограничений, сварка ПП труб на открытом воздухе не может вестись более полугода. Расширение интервала температур, при котором возможно проведение сварки на открытом воздухе, является актуальной проблемой, решение которой позволит успешно проводить ремонт существующих систем водоснабжения в зимних условиях и сократить сроки строительства новых. Для проведения сварки ПП труб при низких температурах необходимо расширить допустимый температурный интервал для транспортирования. Погрузку, транспортирование и разгрузку полипропиленовых труб рекомендуется производить при температурах воздуха не ниже -10 °С. Тем не менее, при низких температурах подобные операции можно осуществлять, подогревая нагретым воздухом трубы в теплоизоляционных контейнерах в течении определенного времени. Не затрагивая вопросы определения продолжительности подогрева труб в контейнерах при различных температурах воздуха, будем считать, что транспортирование ПП труб для их сварки возможно при любых низких климатических температурах.
Теоретические и экспериментальные исследования теплового процесса сварки при различных температурах воздуха показывают, что возможности существующей технологии контактной сварки используются недостаточно полно. Управление тепловым процессом и обеспечение изменения температурного поля при сварке в условиях низких температур по закономерностям близким динамике температурного поля при допустимых температурах позволяет получить требуемую прочность сварного стыкового соединения. В работах [3-5] предложен и научно обоснован способ стыковой сварки полиэтиленовых (ПЭ) труб при низких температурах, основанный на управлении тепловым процессом сварки в окрестности сварного соединения. Установлено, что предварительный подогрев свариваемых труб на небольшую длину вылета, оплавление торцов труб и осадка в стандарт-
ном режиме с дальнейшим охлаждением сварного соединения в теплоизоляционной камере определенного размера позволяют получить соединение с необходимым качеством. Для разработки аналогичного способа сварки в раструб полипропиленовых труб при температурах воздуха ниже нормативных необходимо исследовать тепловой процесс на всех этапах сварки, включая предварительный подогрев. Предварительный подогрев должен быть простым в реализации и обеспечить за короткое время распределение температуры в стенке трубы со значениями из допустимого интервала и с перепадом не более 15 °С.
Цель работы заключается в определении технологических параметров предварительного подогрева при низких температурах свариваемых концов трубы и муфты, обеспечивающих распределение температуры со значениями из допустимого для сварки интервала.
Моделирование теплового процесса
При предварительном подогреве на концах свариваемой трубы и муфты необходимо получить определенное распределение температуры. Подобные задачи управления тепловыми процессами встречаются на практике часто и относятся к обратным задачам теплообмена, в которых по следственным показателям (температуре) определяются причинные характеристики (нагружающие воздействия) [6]. К причинным характеристикам относятся внутренние и внешние тепловые потоки, которыми необходимо воздействовать на исследуемый объект для получения требуемого распределения температуры. Внутренние тепловые источники в виде правых частей в уравнении теплопроводности в общем случае представляют функцию пространственных переменных и времени [7]. Такие источники тепла используются, например, при индукционном нагреве для получения равномерного распределения температуры в заготовке при горячей обработке цветных металлов давлением [8, 9]. Управление внешними тепловыми потоками, меняющимися во времени, реализуется, в частности, при различных технологических процессах, связанных с нагревом и охлаждением изделий. В связи с некорректностью подобные задачи решаются методами регуляризации. Полученные решения в виде тепловых воздействий, зависящих от пространственных переменных и времени, достаточно сложны для практической реализации. Частные решения задач управления тепловыми процессами в виде функций воздействия, которые легко реализуемы практически и их вид известен, определяются варьированием параметров, т. е. анализом решений последовательности прямых задач [10]. Поскольку предварительный подогрев свариваемых полипропиленовых труб необходимо осуществлять доступными и простыми средствами, воспользуемся таким подходом и определим технологические параметры подогрева для достижения требуемого распределения температуры.
Тепловые процессы подогрева свариваемых концов трубы и муфты аналогичны. Отличия заключаются только в диаметрах и длине вылета, на которую подогреваются труба и муфта. По конструктивным особенностям муфта может быть подогрета сменной насадкой на дли-
ну раструба. Глубину паза сменной насадки для подогрева трубы определим из возможностей установки сменных насадок в центрирующее устройство следующим образом: / = 1,66/ ,, где / , — глубина раструба.
паз ' раструб' ^ раструб гг./
До начала процесса подогрева нагревательная пластина со сменными насадками для подогрева разогревается на открытом воздухе в течение времени проведения подготовительных работ для сварки (установки труб в центрирующее приспособление), которое занимает около 5 мин. Сменные насадки с теплоизоляцией хранятся в теплоте, например при температуре 20 °С. Для эффективности разогрева, в пазы сменных насадок для подогрева вставляется отрезок ПП трубы. Поскольку теплопроводность полипропилена низкая, то теплота по длине трубы распространяется на небольшое расстояние. Таким образом, процесс разогрева сменных насадок с отрезком трубы нагревательной пластиной подобен процессу подогрева тем же инструментом конца длинной трубы. Поэтому процесс разогрева сменных насадок, моделировать отдельно не будем, а объединим с моделированием процесса подогрева стенок трубы. При моделировании процесса подогрева отрезок трубы вынимается из паза сменной насадок и в нее вставляется конец подогреваемой трубы с температурой окружающего воздуха.
Расчетная схема подогрева стенки трубы (муфты) с помощью нагревательной пластины сварочного аппарата со сменной насадкой показана на рис. 1.
Предположим, что конец свариваемой трубы имеет температуру окружающего воздуха Токр. Не снижая общности, будем полагать, что сменная насадка предварительно разогрета с помощью нагревательной пластины с температурой Тнагр в течение определенного времени и его температурное поле Тн (г, 2) известно из расчета. Нестационарное температурное поле в стенке трубы при подогреве сменной насадкой, в воздухе внутри трубы и в сменной насадке с теплоизоляцией описывается уравнением теплопроводности в цилиндрических координатах: